WO2017061714A1 - 특정 방향에서 진공을 인가하여 전극 슬러리를 건조하는 과정을 포함하는 이차전지용 전극을 제조하는 방법 - Google Patents

특정 방향에서 진공을 인가하여 전극 슬러리를 건조하는 과정을 포함하는 이차전지용 전극을 제조하는 방법 Download PDF

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vacuum
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도엘레야니스
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주식회사 엘지화학
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Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing an electrode for a secondary battery comprising the step of drying the electrode slurry by applying a vacuum in a specific direction.
  • a representative example of an electrochemical device using such electrochemical energy is a secondary battery, and its use area is gradually increasing.
  • secondary batteries are classified into cylindrical batteries and rectangular batteries in which the electrode assembly is embedded in a cylindrical or rectangular metal can, and pouch-type batteries in which the electrode assembly is embedded in a pouch type case of an aluminum laminate sheet. .
  • the electrode assembly embedded in the battery case is a power generator capable of charging and discharging composed of a laminated structure of a cathode, a separator, and a cathode, and has a jelly-roll type wound around a separator between a long sheet type anode and an anode coated with an active material, and a predetermined type.
  • a plurality of positive and negative electrodes of size are classified into a stack type in which a plurality of positive and negative electrodes are sequentially stacked in a state where a separator is interposed.
  • an electrode assembly having a further structure of a jelly-roll type and a stack type, a full cell or anode (cathode) / separator / cathode (anode) / separator / A stack / foldable electrode assembly has been developed in which a bicell of an anode structure is folded using a long continuous film.
  • the electrode which is a key component of the secondary battery, is manufactured by applying and drying an electrode slurry including an electrode active material, a binder, a solvent, and the like on a current collector made of metal.
  • the binder particles are agglomerated near the surface of the electrode slurry layer, the dispersibility of the electrode active material and the like is lowered as a whole, and the adhesion efficiency of the binder is lowered. As a result, due to the aggregation of the binder particles, there is a problem of an increase in the internal resistance of the electrode, a decrease in electrolyte impregnation, and a decrease in the overall performance of the secondary battery.
  • the present invention aims to solve the problems of the prior art as described above and the technical problems that have been requested from the past.
  • the inventors of the present application after extensive research and various experiments, as described later, when manufacturing the electrode for the secondary battery, the electrode slurry is applied while applying a vacuum in the direction of reducing the aggregation of the binder due to the vaporization of the solvent In the case of including the drying process, it was confirmed that the aggregation of the binder can be reduced, the dispersibility of the electrode active material can be improved, and the adhesion efficiency of the binder can be increased, and thus the present invention has been completed.
  • the solvent moves to the surface of the electrode slurry layer by capillary action.
  • the solvated and flowable binder moves together with the solvent to the surface to cause aggregation.
  • a vacuum can be applied in a direction that reduces the movement of the binder in the direction of the surface of the electrode slurry layer, thereby reducing the flow of the flowable binder to the surface of the electrode slurry layer. That is, the direction of reducing the aggregation means the direction of reducing the binder from moving to the surface direction of the electrode slurry layer to aggregate with each other.
  • the surface of the electrode slurry layer means the XY plane with the largest Z value among them.
  • the vaporization of the solvent occurs mainly at the surface of the electrode slurry layer, so that the binder particles move toward the surface.
  • a vacuum can be applied in any direction that satisfies Z ⁇ 0, and any direction where Z ⁇ 0 means a direction opposite to the surface of the electrode slurry layer, thereby effectively reducing the movement of the binder. Can be.
  • applying a vacuum in the lateral direction can disperse the force that causes the binder to move to the surface.
  • the solvent used to prepare the electrode slurry is, for example, N-methyl-2-pyrrolidinone, propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate Nate, diethyl carbonate, gamma-butylo lactone, 1,2-dimethoxy ethane, tetrahydroxyfuran, 2-methyl tetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, 1,3-dioxorone, formamide, dimethyl Formamide, dioxolon, acetonitrile, nitromethane, methyl formate, methyl acetate, phosphate triester, trimethoxy methane, dioxoren derivatives, sulfolane, methyl sulfolane, 1,3-dimethyl-2-imida Aprotic organic solvents such as zolidinones, propylene carbonate derivatives, tetrahydrofuran derivatives, ethers, methyl pyroionate
  • the vacuum may be a pressure of 0.8 atm or less, and specifically, the vacuum may be a pressure of 0.01 atm or more and 0.4 atm or less.
  • the force on the binder particles is too small, making it difficult to reduce agglomeration of the binder particles, and when applying a vacuum at a pressure below 0.01 atm, the force on the electrode slurry layer is too high. It may be so strong that the entire electrode slurry layer is oriented to one side or the surface is uneven, which may increase the appearance defect rate.
  • the vacuum may maintain a constant pressure or the pressure may change.
  • the vacuum may change in pressure, and more particularly, the vacuum may change with pressure having periodic variability.
  • the pressure of the vacuum changes, it is possible to effectively control the movement of the binder as compared to the case of maintaining a constant pressure.
  • the process (b) can be made in a drying oven to apply heat.
  • heat is applied together with the vacuum, the slurry can be dried more quickly, and the amount of agglomeration can be reduced by reducing the time for the binder to agglomerate.
  • the continuous process may be performed in the state where the other surface to which the electrode slurry of the current collector is applied is in contact with the transfer device.
  • the transfer device is not particularly limited as long as it can continuously transfer the current collector coated with the electrode slurry, but may be, for example, a conveyor belt.
  • At least a portion of the conveyor belt may have a through structure so that a vacuum may be applied to a current collector.
  • the through structure refers to a structure in which the fluid can move to the upper and lower surfaces through the conveyor belt. Even when a vacuum is applied from the lower surface of the conveyor belt through this through structure, sufficient vacuum can be applied to the current collector.
  • the through structure may be a structure in which a through hole is formed in the conveyor belt.
  • the conveyor belt may be made of a material including pores in which fluid is movable.
  • the thickness of the current collector may be 4 ⁇ m to 20 ⁇ m, in detail, may be 4 ⁇ m to 10 ⁇ m. If the thickness of the current collector is less than 4 ⁇ m, the shape of the current collector may be deformed when the vacuum is applied. If the thickness is larger than 20 ⁇ m, the current collector may be too thick. It may be difficult to apply a vacuum force to the electrode slurry layer.
  • the electrode slurry may further include a conductive material to improve the conductivity of the electrode.
  • the present invention provides an electrode for a secondary battery produced by the above method.
  • the present invention also provides an electrode assembly including such an electrode, and a secondary battery in which the electrode assembly is embedded in a battery case together with an electrolyte.
  • the electrode is referred to collectively as an anode and a cathode.
  • the positive electrode may be manufactured by applying and drying a positive electrode slurry in which a positive electrode active material and a binder are mixed on a positive electrode current collector, and may further add a conductive material and a filler to the positive electrode slurry, if necessary. .
  • the positive electrode current collector is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing chemical change in the battery.
  • carbon, nickel on the surface of stainless steel, aluminum, nickel, titanium, and aluminum or stainless steel may be used.
  • One selected from surface treated with titanium or silver may be used, and in detail, aluminum may be used.
  • the current collector may form fine irregularities on its surface to increase the adhesive force of the positive electrode active material, and may be in various forms such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam, and a nonwoven fabric.
  • the conductive material is typically added in an amount of 1 to 30% by weight based on the total weight of the positive electrode mixture including the positive electrode active material.
  • a conductive material is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical change in the battery.
  • graphite, carbon black, acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and summer black Carbon blacks such as; Conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers; Metal powders such as carbon fluoride powder, aluminum powder and nickel powder; Conductive whiskeys such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; Conductive materials such as polyphenylene derivatives and the like can be used.
  • the binder included in the positive electrode is a component that assists in bonding the active material, the conductive material and the like to the current collector, and is generally added in an amount of 1 to 30 wt% based on the total weight of the mixture including the positive electrode active material.
  • binders examples include polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose (CMC), starch, hydroxypropyl cellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene , Polypropylene, ethylene-propylene-diene terpolymer (EPDM), sulfonated EPDM, styrene-butadiene rubber, fluorine rubber, various copolymers, and the like.
  • CMC carboxymethyl cellulose
  • EPDM ethylene-propylene-diene terpolymer
  • EPDM ethylene-propylene-diene terpolymer
  • EPDM ethylene-propylene-diene terpolymer
  • EPDM ethylene-propylene-diene terpolymer
  • sulfonated EPDM styrene-butadiene rubber
  • fluorine rubber various copolymers, and the like.
  • the filler is optionally used as a component for inhibiting expansion of the positive electrode, and is not particularly limited as long as it is a fibrous material without causing chemical change in the battery.
  • the filler include olefinic polymers such as polyethylene and polypropylene; Fibrous materials, such as glass fiber and carbon fiber, are used.
  • the negative electrode may be manufactured by applying a negative electrode slurry including a negative electrode active material and a binder to the negative electrode current collector, and may further include a dispersant and a filler.
  • the negative electrode current collector is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical change in the battery.
  • the negative electrode current collector may be formed on the surface of copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, copper, or stainless steel. Surface-treated with carbon, nickel, titanium, silver and the like, aluminum-cadmium alloy and the like can be used.
  • fine concavities and convexities may be formed on the surface to enhance the bonding strength of the negative electrode active material, and may be used in various forms such as a film, a sheet, a foil, a net, a porous body, a foam, and a nonwoven fabric.
  • the negative electrode active material is, for example, natural graphite, artificial graphite, Li x Fe 2 O 3 (0 ⁇ x ⁇ 1), Li x WO 2 (0 ⁇ x ⁇ 1), Sn x Me 1 - x Me ' y O z (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me ': Al, B, P, Si, group 1, group 2, group 3 elements of the periodic table, halogen; 0 ⁇ x ⁇ 1; 1 ⁇ y ⁇ 3; Metal composite oxides such as 1 ⁇ z ⁇ 8); Lithium metal; Lithium alloys; Silicon-based alloys; Tin-based alloys; SnO, SnO 2 , PbO, PbO 2 , Pb 2 O 3 , Pb 3 O 4 , Sb 2 O 3 , Sb 2 O 4 , Sb 2 O 5 , GeO, GeO 2 , Bi 2 O 3 , Bi 2 O 4 , and metal oxides such as Bi 2 O 5 ; Conductive polymers such as
  • the separator may be a polyolefin-based film commonly used in the art, for example, high density polyethylene, low density polyethylene, linear low density polyethylene, ultra high molecular weight polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate ( polyethyleneterephthalate, polybutyleneterephthalate, polyester, polyacetal, polyamide, polycarbonate, polyimide, polyetheretherketone, It may be a sheet consisting of one or more selected from the group consisting of polyethersulfone, polyphenyleneoxide, polyphenylenesulfidro, polyethylenenaphthalene, and mixtures thereof.
  • the separator may be made of the same material, but is not limited thereto, and may be made of different materials depending on the safety, energy density, and overall performance of the battery cell.
  • the pore size and porosity of the separator is not particularly limited, porosity is in the range of 10 to 95%, pore size (diameter) may be 0.1 to 50 ⁇ m. When the pore size and porosity are less than 0.1 ⁇ m and 10%, respectively, it acts as a resistive layer, and when the pore size and porosity exceeds 50 ⁇ m and 95%, it is difficult to maintain mechanical properties.
  • the electrolyte may be a lithium salt-containing non-aqueous electrolyte, the lithium salt-containing non-aqueous electrolyte is composed of a non-aqueous electrolyte and a lithium salt, the non-aqueous organic solvent, an organic solid electrolyte, an inorganic solid electrolyte and the like are used, but these It is not limited only.
  • non-aqueous organic solvent examples include N-methyl-2-pyrrolidinone, propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and gamma Butyl lactone, 1,2-dimethoxy ethane, tetrahydroxyfuran, 2-methyl tetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, 1,3-dioxolon, formamide, dimethylformamide, dioxolon, acetonitrile Nitromethane, methyl formate, methyl acetate, triester phosphate, trimethoxy methane, dioxoron derivatives, sulfolane, methyl sulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, propylene carbonate derivatives, Aprotic organic solvents such as tetrahydrofuran derivatives, ethers, methyl pyroionate and ethyl propionate can be used.
  • organic solid electrolyte examples include polyethylene derivatives, polyethylene oxide derivatives, polypropylene oxide derivatives, phosphate ester polymers, polyedgetion lysine, polyester sulfides, polyvinyl alcohol, polyvinylidene fluoride, and ions. Polymerizers containing a sex dissociation group and the like can be used.
  • Examples of the inorganic solid electrolyte include Li 3 N, LiI, Li 5 NI 2 , Li 3 N-LiI-LiOH, LiSiO 4 , LiSiO 4 -LiI-LiOH, Li 2 SiS 3 , Li 4 SiO 4 , Nitrides, halides, sulfates and the like of Li, such as Li 4 SiO 4 -LiI-LiOH, Li 3 PO 4 -Li 2 S-SiS 2 , and the like, may be used.
  • the lithium salt is a good material to dissolve in the nonaqueous electrolyte, for example, LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4 , LiBF 4 , LiB 10 Cl 10 , LiPF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , LiAsF 6 , LiSbF 6 , LiAlCl 4 , CH 3 SO 3 Li, (CF 3 SO 2 ) 2 NLi, chloroborane lithium, lower aliphatic lithium carbonate, lithium tetraphenylborate, imide and the like can be used.
  • nonaqueous electrolytes include pyridine, triethylphosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylene diamine, n-glyme, hexaphosphate triamide, for the purpose of improving charge and discharge characteristics, flame retardancy, and the like.
  • Nitrobenzene derivatives, sulfur, quinone imine dyes, N-substituted oxazolidinones, N, N-substituted imidazolidines, ethylene glycol dialkyl ethers, ammonium salts, pyrroles, 2-methoxy ethanol, aluminum trichloride and the like may be added. have.
  • a halogen-containing solvent such as carbon tetrachloride or ethylene trifluoride may be further included, and carbon dioxide gas may be further included to improve high temperature storage characteristics, and FEC (Fluoro-Ethylene) may be further included. Carbonate), PRS (Propene sultone) may be further included.
  • lithium salts such as LiPF 6 , LiClO 4 , LiBF 4 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2, and the like, may be prepared by cyclic carbonate of EC or PC, which is a highly dielectric solvent, and DEC, DMC, or EMC, which are low viscosity solvents.
  • Lithium salt-containing nonaqueous electrolyte can be prepared by adding to a mixed solvent of linear carbonate.
  • the present invention also provides a battery pack including such a secondary battery as a unit cell, and a device including the battery pack as a power source.
  • the device may be, for example, a laptop computer, a netbook, a tablet PC, a mobile phone, an MP3, a wearable electronic device, a power tool, an electric vehicle (EV), or a hybrid electric vehicle (HEV).
  • PHEVs Plug-in hybrid electric vehicles
  • E-bikes electric bikes
  • E-scooters electric golf carts
  • FIG. 1 is a schematic view of an electrode on which an electrode slurry is applied on a current collector
  • FIG. 2 is a schematic view showing the drying of the electrode slurry in the electrode of FIG. 1;
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing an electrode of FIG. 1 in an XYZ stereoscopic coordinate system
  • FIG. 4 is a schematic diagram illustrating a method of applying a vacuum in a specific direction when drying the electrode of FIG. 3 according to one embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing a force acting on a solvated binder when the electrode of FIG. 3 is dried according to one embodiment of the present invention.
  • an electrode slurry 120 is coated on a current collector 110 of an electrode 100, and the electrode slurry 120 includes an electrode active material, a binder, a conductive material, and a solvent, in particular, a binder. It is possible to flow in the electrode slurry 120 in a solvated state.
  • the electrode active material, the binder, and the conductive material are uniformly dispersed throughout the electrode slurry 120.
  • FIG. 2 is a schematic view showing the drying of the electrode slurry in the electrode of FIG. 1.
  • an electrode slurry 120 is coated on a current collector 110 of an electrode 100a, and the electrode slurry 120 includes an electrode active material, a binder, a conductive material, and a solvent.
  • a part of the binder may be flowed in the electrode slurry 120 in a solvated state, and a part of the binder may be in a state in which the flow is impossible because the solvent is vaporized.
  • the solvent moves to the surface of the electrode slurry 120 by capillary action.
  • the binder which is solvated and is capable of flowing, moves to the surface together with the solvent to cause aggregation of the binder.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing the electrode of FIG. 1 in an XYZ stereoscopic coordinate system.
  • an electrode slurry 120 is coated on a current collector 110 of an electrode 100, and the electrode slurry 120 includes an electrode active material, a binder, a conductive material, and a solvent. have.
  • FIG. 4 is a schematic diagram illustrating a method of applying a vacuum in a specific direction when drying the electrode of FIG. 3 according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the surface of the electrode slurry 120 may be Among them, Z value means the largest XY plane (hatched). Since the vaporization of the solvent mainly occurs on the surface of the electrode slurry 120, the binder particles move toward the surface.
  • the binder becomes an electrode slurry ( Forces that move to the surface of 120 may be offset or dispersed.
  • vacuum may be applied in any of the directions a1, a2, a3 satisfying Z ⁇ 0, and any of the directions a1, a2, a3 where Z ⁇ 0 may be applied to the surface of the electrode slurry 120 ( The direction opposite to the hatching) can effectively reduce the movement of the binder.
  • a vacuum is applied in the lateral directions b1 and b2
  • the force for moving the binder to the surface (hatched) of the electrode slurry 120 can be dispersed.
  • Figure 5 is a schematic diagram showing the force acting on the solvated binder when drying the electrode of Figure 3 in accordance with one embodiment of the present invention.
  • a solvent solvated binder is included in the electrode slurry 120, and for convenience of description, only one binder is illustrated, but similarly, a force applied to the binder located in the electrode slurry 120 is similarly applied. do.
  • Evaporation of the solvent occurs in the surface direction c1, which is the upper surface of the electrode slurry 120, and a force acting to cause the solvated binder particles to move in the surface direction c1 by capillary action.
  • the solvated binder is prevented from shifting to one side of both sides of the electrode slurry 120.
  • the method for manufacturing an electrode for secondary batteries according to the present invention includes a process of drying the electrode slurry while applying a vacuum in a direction of reducing the aggregation of the binder due to evaporation of the solvent, thereby reducing the aggregation of the binder In this way, the dispersibility of the electrode active material can be improved and the adhesion efficiency of the binder can be increased.

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Abstract

본 발명은 이차전지용 전극을 제조하는 방법으로서, (a) 시트형 집전체의 일면에 전극 활물질, 바인더, 및 용매를 포함하는 전극 슬러리를 도포하는 과정; 및 (b) 상기 용매의 기화로 인한 바인더의 응집을 감소시키는 방향에서 진공을 인가하면서 전극 슬러리를 건조하는 과정;을 포함하는 방법에 관한 것이다.

Description

특정 방향에서 진공을 인가하여 전극 슬러리를 건조하는 과정을 포함하는 이차전지용 전극을 제조하는 방법
본 출원은 2015.10.08자 한국 특허 출원 제10-2015-0141355호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 특정 방향에서 진공을 인가하여 전극 슬러리를 건조하는 과정을 포함하는 이차전지용 전극을 제조하는 방법에 관한 것이다.
화석연료 사용의 급격한 증가로 인하여 대체 에너지나 청정에너지의 사용에 대한 요구가 증가하고 있으며, 그 일환으로 가장 활발하게 연구되고 있는 분야가 전기화학을 이용한 발전, 축전 분야이다.
현재 이러한 전기화학적 에너지를 이용하는 전기화학 소자의 대표적인 예로 이차전지를 들 수 있으며, 점점 더 그 사용 영역이 확대되고 있는 추세이다.
이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다.
전지케이스에 내장되는 전극조립체는 양극/분리막/음극의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자로서, 활물질이 도포된 긴 시트형의 양극과 음극 사이에 분리막을 개재하여 권취한 젤리-롤형과, 소정 크기의 다수의 양극과 음극을 분리막이 개재된 상태에서 순차적으로 적층한 스택형으로 분류된다.
이러한 젤리-롤형과 스택형의 혼합 형태인 진일보한 구조의 전극조립체로서, 일정한 단위 크기의 양극/분리막/음극 구조의 풀셀(full cell) 또는 양극(음극)/분리막/음극(양극)/분리막/양극(음극) 구조의 바이셀(bicell)을 긴 길이의 연속적인 분리필름을 이용하여 폴딩한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체가 개발되었다.
또한, 기존 스택형 전극조립체의 공정성을 향상시키고, 다양한 형태의 이차전지 수요를 충족시키기 위해, 전극과 분리막이 교대로 적층되어 접합(lamination)되어 있는 단위셀들을 적층한 구조의 라미네이션/스택형 전극조립체도 개발되었다.
한편, 이러한 이차전지의 핵심 구성 요소인 전극은, 금속으로 이루어진 집전체 상에 전극 활물질, 바인더, 및 용매 등을 포함하는 전극 슬러리를 도포하고 건조하여 제조된다.
전극 슬러리의 건조 과정에서, 전극 슬러리 층의 표면 주변에서 바인더 입자들이 응집되는 현상이 발생한다. 이러한 현상은, 건조 과정에서 전극 슬러리 층의 표면에서 용매의 기화가 일어나고, 모세관 현상에 의해 내측에 있던 용매가 표면 부근으로 이동할 때, 용매화(solvated)되어 있어 전극 슬러리 층 내에서 유동이 가능한 상태의 바인더가 전극 슬러리 층의 표면 부근으로 함께 이동하기 때문에 일어나는 것으로 알려져 있다.
전극 슬러리 층의 표면 부근에 바인더 입자가 응집되면, 전극 전체적으로 볼 때, 전극 활물질 등의 분산성이 저하되고, 바인더의 점착 효율이 낮아지게 된다. 결국, 바인더 입자의 응집으로 인해 전극의 내부 저항 상승, 전해액 함침성 저하, 및 이차전지의 전체적인 성능 저하의 문제가 있다.
따라서, 전극 슬러리의 건조 과정에서 바인더의 응집을 감소시켜, 전극 활물질의 분산성을 향상시키고, 바인더의 점착 효율을 증가시킬 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 이차전지용 전극을 제조할 때, 용매의 기화로 인한 바인더의 응집을 감소시키는 방향에서 진공을 인가하면서 전극 슬러리를 건조하는 과정을 포함하는 경우, 바인더의 응집을 감소시켜, 전극 활물질의 분산성을 향상시키고, 바인더의 점착 효율을 증가시킬 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명에 따른 이차전지용 전극을 제조하는 방법은,
(a) 시트형 집전체의 일면에 전극 활물질, 바인더, 및 용매를 포함하는 전극 슬러리를 도포하는 과정; 및
(b) 상기 용매의 기화로 인한 바인더의 응집을 감소시키는 방향에서 진공을 인가하면서 전극 슬러리를 건조하는 과정;
을 포함하는 것을 특징으로 한다.
일반적인 전극 슬러리의 건조 과정을 살펴보면, 전극 슬러리 층의 표면에서 용매의 기화가 일어남에 따라 모세관 현상에 의해 용매가 전극 슬러리 층의 표면으로 이동하게 된다. 이 때, 용매화(solvated)되어 있어 유동이 가능한 바인더가 용매와 함께 표면으로 이동하면서 응집이 일어나게 된다.
본 발명에 따르면, 바인더가 전극 슬러리 층의 표면 방향으로 이동하는 것을 감소시키는 방향에서 진공을 인가하여, 유동성이 있는 바인더가 전극 슬러리 층의 표면으로 이동하는 것을 감소시킬 수 있다. 즉, 응집을 감소시키는 방향은, 바인더가 전극 슬러리 층의 표면 방향으로 이동하여 서로 응집하는 것을 감소시키는 방향을 의미한다.
하나의 구체적인 예에서, XYZ 입체 좌표계에서, 상기 집전체가 Z=0인 XY 평면에 위치하고, 상기 집전체의 일면에 Z＞0인 조건으로 전극 슬러리를 XY 평면 상에 도포하며, Z＜0을 만족하는 임의의 방향 및 Z=0인 XY 평면 상의 임의의 방향에서 선택된 하나 이상의 방향에서 진공을 인가할 수 있다.
상기 집전체의 일면에 Z＞0인 조건으로 전극 슬러리가 XY 평면 상에 일정한 두께를 형성하며 도포되어 있을 때, 전극 슬러리 층의 표면은, 그 중에서 Z 값이 가장 큰 XY 평면을 의미한다.
상기 용매의 기화는 주로 전극 슬러리 층의 표면에서 일어나므로, 표면 쪽으로 바인더 입자가 이동하게 된다.
따라서, Z＜0을 만족하는 임의의 방향 및 Z=0인 XY 평면 상의 임의의 방향에서 선택된 하나 이상의 방향에서 진공을 인가하면, 바인더가 전극 슬러리 층의 표면으로 이동하여 서로 응집하는 것을 감소시킬 수 있다.
상세하게는, 상기 Z＜0을 만족하는 임의의 방향에서 진공을 인가할 수 있고, Z＜0인 임의의 방향은 전극 슬러리 층의 표면과는 반대의 방향을 의미하므로 바인더의 이동을 효과적으로 감소시킬 수 있다.
상기 전극 슬러리 층의 표면을 상면이라고 할 때, Z=0인 XY 평면 상의 방향은 전극 슬러리 층의 측면 방향으로 볼 수 있다. 이와 같이, 측면 방향에서 진공을 인가하면, 바인더가 표면으로 이동하게 하는 힘을 분산시킬 수 있다.
또한, 상기 Z=0인 XY 평면 상의 제 1 방향과 제 2 방향에서 동시에 진공을 인가할 수 있고, 상기 제 1 방향은 제 2 방향에 대해 대향 방향일 수 있다. 즉, 전극 슬러리 층의 측면 방향에서 진공을 인가하는 경우, 바인더가 전극 슬러리 층의 양 측면 중 일측으로 편향되어 이동하는 것을 방지하기 위해서 대향 방향에서 동시에 인가할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전극 슬러리의 제조에 사용되는 용매는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시푸란, 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 진공은 0.8 atm 이하의 압력일 수 있고, 상세하게는 진공은 0.01 atm 이상 내지 0.4 atm 이하의 압력일 수 있다.
0.8 atm 초과의 압력으로 진공을 인가하는 경우, 바인더 입자에 미치는 힘이 너무 작아서, 바인더 입자의 응집을 감소시키기 어렵고, 0.01 atm 미만의 압력으로 진공을 인가하는 경우, 전극 슬러리 층에 미치는 힘이 너무 강해서 전극 슬러리 층 전체가 일측으로 쏠리거나 표면이 고르지 못하게 되어 외관 불량률이 증가할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 진공은 일정한 압력을 유지하거나 또는 압력이 변할 수 있다.
상세하게는, 상기 진공은 압력이 변할 수 있고, 더욱 상세하게는, 상기 진공은 압력이 주기적인 변동성을 가지면서 변할 수 있다. 상기 진공의 압력이 변하는 경우 일정한 압력을 유지하는 경우에 비해 바인더의 이동을 효과적으로 제어할 수 있다.
또한, 상기 압력이 주기적인 변동성을 가지면서 변하는 경우, 보다 적은 에너지를 이용하여 바인더의 이동을 더욱 효과적으로 제어할 수 있고, 따라서, 표면에서 바인더의 응집을 더욱 감소시킬 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 과정(b)는 열을 인가하는 건조 오븐 내에서 이루어질 수 있다. 진공과 함께 열을 인가하는 경우 보다 신속하게 슬러리를 건조 할 수 있고, 바인더가 응집 할 수 있는 시간이 줄어들어 응집되는 양도 감소시킬 수 있다.
한편, 상기 과정(b)에서, 연속 공정으로 집전체에 도포된 전극 슬러리를 건조하여, 생산성을 향상시킬 수 있다.
상세하게는, 상기 과정(b)에서, 집전체의 전극 슬러리가 도포된 타면이 이송 장치에 접한 상태로 연속 공정이 이루어질 수 있다.
이때, 상기 이송 장치는, 전극 슬러리가 도포된 집전체를 연속적으로 이송할 수만 있으면 특별히 제한되지는 않지만, 예를 들어, 컨베이어 벨트일 수 있다.
상기 컨베이어 벨트는 집전체에 진공이 인가될 수 있도록 적어도 일부가 관통 구조로 이루어질 수 있다. 상기 관통 구조는 컨베이어 벨트를 통해 상면과 하면에 유체가 이동할 수 있는 구조를 의미한다. 이러한 관통 구조를 통해 컨베이어 벨트의 하면에서 진공을 인가하는 경우에도, 집전체에 충분한 진공이 인가될 수 있다.
상세하게는, 상기 관통 구조는 컨베이어 벨트에 관통구가 형성되어 있는 구조일 수 있다. 또는, 컨베이어 벨트는 유체가 이동 가능한 기공을 포함하는 소재로 이루어질 수도 있다.
한편, 상기 집전체의 두께는 4 ㎛ 내지 20 ㎛일 수 있고, 상세하게는, 4 ㎛ 내지 10 ㎛일 수 있다. 4 ㎛ 미만인 경우에는 집전체의 두께가 너무 얇아서 진공 인가 시 형태가 변형될 수 있고, 20 ㎛ 초과인 경우에는 집전체가 너무 두꺼워서 집전체의 하면에서 진공을 인가하더라도 집전체의 상면에 도포되어 있는 전극 슬러리 층에 진공에 의한 힘이 인가되기 어려울 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전극 슬러리는 전극의 도전성을 향상시키기 위해서 도전재를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 상기 방법에 의해 제조된 이차전지용 전극을 제공한다.
본 발명은 또한, 이러한 전극을 포함하는 전극조립체, 이러한 전극 조립체가 전해액과 함께 전지케이스에 내장되어 있는 이차전지를 제공한다.
이하, 상기 이차전지의 기타 성분에 대해서 설명한다.
상기 전극은 양극 및 음극을 통칭한다. 상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 및 바인더가 혼합된 양극 슬러리를 도포하고 건조하여 제조될 수 있고, 필요에 따라서는 양극 슬러리에 도전재 및 충진제를 더 첨가할 수 있다.
상기 양극 집전체는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티타늄, 및 알루미늄이나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티타늄 또는 은으로 표면처리 한 것 중에서 선택되는 하나를 사용할 수 있고, 상세하게는 알루미늄이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 점착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 양극 활물질은, 예를 들어, 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1 + xMn2 - xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiV3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1 - xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 양극 합제 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 흑연, 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 양극에 포함되는 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌-부타디엔 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
반면에, 음극은, 음극 집전체에 음극 활물질, 바인더를 포함하는 음극 슬러리를 도포하여 제조될 수 있으며, 이에 분산제 및 충진제 등이 선택적으로 더 포함될 수 있다.
상기 음극 집전체는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
상기 음극 활물질은, 예를 들어, 천연 흑연, 인조 흑연, LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1 - xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, and Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수도 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 분리막은, 당업계에서 통상적으로 사용되는 폴리올레핀 계열의 필름일 수 있고, 예를 들어, 고밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 선형저밀도 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트 (polyethyleneterephthalate), 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutyleneterephthalate), 폴리에스테르(polyester), 폴리아세탈(polyacetal), 폴리아미드(polyamide), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리이미드(polyimide), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone), 폴리에테르설폰(polyethersulfone), 폴리페닐렌옥사이드(polyphenyleneoxide), 폴리페닐렌설파이드로(polyphenylenesulfidro), 폴리에틸렌나프탈렌(polyethylenenaphthalene) 및 이들의 혼합체로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상으로 이루어진 시트일 수 있다.
상기 분리막은, 서로 동일한 물질로 이루어진 것일 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 전지셀의 안전성, 에너지 밀도, 및 전반적인 성능에 따라서, 서로 상이한 물질로 이루어질 수 있음은 물론이다.
상기 분리막의 기공 크기 및 기공도는 특별한 제한이 없으나, 기공도는 10 내지 95% 범위, 기공 크기(직경)는 0.1 내지 50 ㎛일 수 있다. 기공 크기 및 기공도가 각각 0.1 ㎛ 및 10% 미만인 경우에는 저항층으로 작용하게 되며, 기공 크기 및 기공도가 50 ㎛ 및 95%를 초과할 경우에는 기계적 물성을 유지하기가 어렵게 된다.
상기 전해액은 리튬염 함유 비수 전해질일 수 있고, 상기 리튬염 함유 비수 전해질은 비수 전해질과 리튬염으로 이루어져 있으며, 상기 비수 전해질로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용되지만 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 비수계 유기용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시푸란, 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 설파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합제 등이 사용될 수 있다.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.
상기 리튬염은 상기 비수 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 비수 전해질에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있으며, FEC(Fluoro-Ethylene Carbonate), PRS(Propene sultone) 등을 더 포함시킬 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, LiPF6, LiClO4, LiBF4, LiN(SO2CF3)2 등의 리튬염을, 고유전성 용매인 EC 또는 PC의 환형 카보네이트와 저점도 용매인 DEC, DMC 또는 EMC의 선형 카보네이트의 혼합 용매에 첨가하여 리튬염 함유 비수 전해질을 제조할 수 있다.
본 발명은 또한, 이러한 이차전지를 단위전지로서 포함하는 전지팩, 및 이러한 전지팩을 전원으로서 포함하는 디바이스를 제공한다.
상기 디바이스는, 예를 들어, 노트북 컴퓨터, 넷북, 태블릿 PC, 휴대폰, MP3, 웨어러블 전자기기, 파워 툴(power tool), 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV), 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter), 전기 골프 카트(electric golf cart), 또는 전력저장용 시스템일 수 있지만, 이들만으로 한정되지 않음은 물론이다.
이러한 디바이스의 구조 및 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.
도 1은 집전체 상에 전극 슬러리가 도포되어 있는 전극의 모식도이다;
도 2는 도 1의 전극에서 전극 슬러리의 건조가 진행되는 모습을 나타낸 모식도이다;
도 3은 도 1의 전극을 XYZ 입체 좌표계로 나타낸 모식도이다;
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따라서 도 3의 전극을 건조 시 특정한 방향에서 진공을 인가하는 방법을 도시한 모식도이다;
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따라서 도 3의 전극을 건조 시 용매화된 바인더에 작용하는 힘을 나타낸 모식도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 집전체 상에 전극 슬러리가 도포되어 있는 전극의 모식도가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 전극(100)의 집전체(110) 상에 전극 슬러리(120)가 도포되어 있고, 전극 슬러리(120)는 전극 활물질, 바인더, 도전재 및 용매를 포함하고 있고, 특히 바인더는 용매화 되어 있는 상태로 전극 슬러리(120) 내에서 유동이 가능하다.
집전체(110)에 전극 슬리러(120)를 도포한 직후에는 전극 활물질, 바인더, 및 도전재가 전극 슬러리(120) 내에서 전체적으로 균일하게 분산되어 있다.
도 2에는 도 1의 전극에서 전극 슬러리의 건조가 진행되는 모습을 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 전극(100a)의 집전체(110) 상에 전극 슬러리(120)가 도포되어 있고, 전극 슬러리(120)는 전극 활물질, 바인더, 도전재 및 용매를 포함하고 있다. 바인더의 일부는 용매화 되어 있는 상태로 전극 슬러리(120) 내에서 유동이 가능하고, 일부는 용매가 기화되어 유동이 불가능한 상태이다.
구체적으로, 전극 슬러리(120)의 표면에서 용매의 기화가 일어남에 따라 모세관 현상에 의해 용매가 전극 슬러리(120)의 표면으로 이동하게 된다. 이 때, 용매화(solvated)되어 있어 유동이 가능한 바인더가 용매와 함께 표면으로 이동하면서 바인더의 응집이 일어나게 된다.
전극 슬러리(120)의 표면에는 용매가 기화된 후의 바인더가 응집된 상태로 남아 있게 되고, 전극 슬러리(120) 내부의 용매화된 바인더는 모세관 현상에 의해 지속적으로 표면으로 이동하여 표면에서 바인더의 응집은 더욱 심화된다.
도 3에는 도 1의 전극을 XYZ 입체 좌표계로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 1과 함께 도 3을 참조하면, 전극(100)의 집전체(110) 상에 전극 슬러리(120)가 도포되어 있고, 전극 슬러리(120)는 전극 활물질, 바인더, 도전재 및 용매를 포함하고 있다.
구체적으로, XYZ 입체 좌표계에서, 집전체(110)가 Z=0인 XY 평면에 위치하고, 집전체(110)의 일면에 Z＞0인 조건으로 전극 슬러리(120)가 XY 평면 상에 도포되어 있다.
도 4에는 본 발명의 하나의 실시예에 따라서 도 3의 전극을 건조 시 특정한 방향에서 진공을 인가하는 방법을 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 집전체(110)의 일면에 Z＞0인 조건으로 전극 슬러리(120)가 XY 평면 상에 일정한 두께를 형성하며 도포되어 있을 때, 전극 슬러리(120)의 표면은, 그 중에서 Z 값이 가장 큰 XY 평면(빗금)을 의미한다. 용매의 기화는 주로 전극 슬러리(120)의 표면에서 일어나므로, 표면 쪽으로 바인더 입자가 이동하게 된다.
따라서, Z＜0을 만족하는 임의의 방향(a1, a2, a3) 및 Z=0인 XY 평면 상의 임의의 방향(b1, b2)에서 선택된 하나 이상의 방향에서 진공을 인가하면, 바인더가 전극 슬러리(120)의 표면으로 이동하게 하는 힘을 상쇄 또는 분산시킬 수 있다.
구체적으로, Z＜0을 만족하는 임의의 방향(a1, a2, a3)에서 진공을 인가할 수 있고, Z＜0인 임의의 방향(a1, a2, a3)은 전극 슬러리(120)의 표면(빗금)과는 반대의 방향을 의미하므로 바인더의 이동을 효과적으로 감소시킬 수 있다.
전극 슬러리(120)의 표면(빗금)을 상면이라고 할 때, Z=0인 XY 평면 상의 방향(b1, b2)은 전극 슬러리(120)의 측면(격자 무늬) 방향으로 볼 수 있다. 이와 같이, 측면 방향(b1, b2)에서 진공을 인가하면, 바인더가 전극 슬러리(120)의 표면(빗금)으로 이동하게 하는 힘을 분산시킬 수 있다.
Z=0인 XY 평면 상의 제 1 방향(b1)과 제 2 방향(b2)에서 동시에 진공을 인가할 수 있고, 제 1 방향(b1)은 제 2 방향(b2)에 대해 대향 방향이다. 즉, 전극 슬러리(120)의 측면 방향에서 진공을 인가하는 경우, 바인더가 전극 슬러리(120)의 양 측면 중 일측으로 편향되어 이동하는 것을 방지하기 위해서 대향 방향에서 동시에 진공을 인가할 수 있다.
도 5에는 본 발명의 하나의 실시예에 따라서 도 3의 전극을 건조 시 용매화된 바인더에 작용하는 힘을 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 전극 슬러리(120)에 용매화된 바인더가 포함되어 있고, 설명의 편의를 위해서, 하나의 바인더만을 도시하였으나, 전극 슬러리(120) 내에 위치하고 있는 바인더는 이와 유사하게 힘이 작용한다.
전극 슬러리(120)의 상면인 표면 방향(c1)에서 용매의 기화가 일어나고, 용매화된 바인더 입자는 모세관 현상에 의해 표면 방향(c1)으로 이동하게 하는 힘이 작용한다.
이때, 전극 슬러리(120)의 Z＜0을 만족하는 하면 방향(a1)에 진공을 인가하면, 표면 방향(c1)으로 작용하는 힘과 반대 방향으로 진공에 의한 흡인력이 작용하므로, 바인더가 표면 방향(c1)으로 이동하게 하는 힘을 상쇄시킨다.
또한, Z=0인 XY 평면 상의 대향 방향인 제 1 방향(b1)과 제 2 방향(b2)에서 동시에 진공을 인가하여, 용매화된 바인더가 전극 슬러리(120)의 표면(c1)으로 이동하게 하는 힘을 분산시키고, 이와 동시에, 용매화된 바인더가 전극 슬러리(120)의 양 측면 중 일측으로 편향되어 이동하는 것을 방지한다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지용 전극을 제조하는 방법은 용매의 기화로 인한 바인더의 응집을 감소시키는 방향에서 진공을 인가하면서 전극 슬러리를 건조하는 과정을 포함하여, 바인더의 응집을 감소시켜, 전극 활물질의 분산성을 향상시키고, 바인더의 점착 효율을 증가시킬 수 있다.
또한, 바인더의 응집을 감소시켜, 전극의 내부 저항 상승을 방지하고, 전해액 함침성을 향상시켜, 이차전지의 전체적인 성능을 향상시킬 수 있다.

Claims (21)

  1. 이차전지용 전극을 제조하는 방법으로서,
    (a) 시트형 집전체의 일면에 전극 활물질, 바인더, 및 용매를 포함하는 전극 슬러리를 도포하는 과정; 및
    (b) 상기 용매의 기화로 인한 바인더의 응집을 감소시키는 방향에서 진공을 인가하면서 전극 슬러리를 건조하는 과정;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, XYZ 입체 좌표계에서,
    상기 집전체가 Z=0인 XY 평면에 위치하고,
    상기 집전체의 일면에 Z＞0인 조건으로 전극 슬러리를 XY 평면 상에 도포하며,
    Z＜0을 만족하는 임의의 방향 및 Z=0인 XY 평면 상의 임의의 방향에서 선택된 하나 이상의 방향에서 진공을 인가하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 Z＜0을 만족하는 임의의 방향에서 진공을 인가하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 Z=0인 XY 평면 상의 제 1 방향과 제 2 방향에서 동시에 진공을 인가하며, 상기 제 1 방향은 제 2 방향에 대해 대향 방향인 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 진공은 0.8 atm 이하의 압력인 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 진공은 0.01 atm 이상 내지 0.4 atm 이하의 압력인 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 진공은 일정한 압력을 유지하거나 또는 압력이 변하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 진공은 압력이 주기적인 변동성을 가지면서 변하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 과정(b)는 열을 인가하는 건조 오븐 내에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 과정(b)에서, 연속 공정으로 집전체에 도포된 전극 슬러리를 건조하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 과정(b)에서, 집전체의 전극 슬러리가 도포된 타면이 이송 장치에 접한 상태로 연속 공정이 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 이송 장치는 컨베이어 벨트인 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 컨베이어 벨트는 집전체에 진공이 인가될 수 있도록 적어도 일부가 관통 구조로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 집전체의 두께는 4 ㎛ 내지 20 ㎛인 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 집전체의 두께는 4 ㎛ 내지 10 ㎛인 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 전극 슬러리는 도전재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 1 항에 따른 방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  18. 제 17항에 따른 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극조립체.
  19. 제 18 항에 따른 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스에 내장되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지.
  20. 제 19 항에 따른 이차전지를 단위전지로서 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  21. 제 20 항에 따른 전지팩을 전원으로서 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
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